強力な「土壌の王」：超深度掘削プロジェクトにおける「万能土壌」

我が国のタリム盆地における石油・ガス掘削が1万メートルを突破しようとしているとの報道は、深部掘削プロジェクトに関する白熱した議論と懸念を引き起こしています。わずか1万メートルは地球の地殻の平均的な厚さの3分の1に過ぎませんが、そのような深さまで探査できる国は世界でもほとんどありません。科学技術分野では、「空に到達するのは容易なことではないが、地下に潜るのはさらに困難である」という共通認識が常に存在してきた。中国が地球探査の分野で記録を破ったという事実は、中国の掘削工学の総合的な技術レベルが世界をリードする立場にあることを示している。

なぜ深海掘削は、月の宇宙探査や蛟龍号による深海潜水よりも難しいのでしょうか？これは主に、地殻を構成する岩石層と岩石特性が非常に複雑で、大気や海水によって形成される単一の抵抗をはるかに超えているためです。従来の掘削深度を突破して得られる 1 メートルごとに、新たな征服となります。 1万メートルの深さまで掘削する作業には、予測できないさまざまなリスクが潜んでおり、少しでも不注意になると取り返しのつかない事故につながる可能性があります。高度な技術と十分な資金および物資の支援がなければ、数千メートルの深さにある地質学的謎を探索することは夢物語となるでしょう。

近年、科学技術の継続的な進歩により、我が国は、1万メートルの掘削工具の負荷に耐え、強力な動力を提供し、自動化およびデジタル制御を備えた掘削リグ設備一式、および高強度のドリルビット、掘削工具、および対応する試験機器を製造しました。しかし、これは1万メートルの深さの穴を掘るために必要な条件の1つにすぎません。また、高温に耐え、摩擦が少なく、超安定性能を有する掘削流体の開発も必要です。掘削工具の冷却と潤滑を循環させ、掘削物を井戸から吊り下げて運び出すと同時に、井戸壁を保護し、地中の石油、ガス、水によって形成される異常に高い圧力をバランスさせ、ドリルの固着や噴出事故を防止するために使用されます。

現代の掘削工事では、掘削流体は深部の地質情報を伝達し、ドリルビットの回転の駆動力を提供する媒体でもあります。掘削流体は、掘削プロジェクト全体の安全性、速度、品質、さらには成功に影響を与える中核的な要素であると言えます。それは常に掘削プロジェクトに欠かせない循環血液であると考えられてきました。そのハイテク内容は、10,000メートルの掘削リグや掘削ツールの製造に劣りません。このような重要な掘削液は高級品には見えません。掘削業界にあまり詳しくない人にとっては、この多機能往復掘削液が実は土壌を基材として作られた粘性流体であることは想像できないかもしれません。そのため、業界では「掘削泥水」と呼ばれる別名があります。

言うまでもなく、普通の土は掘削泥水を作るのに適していません。全能の力と優れた機能を備えた土の王だけが、好ましい基材です。学名はベントナイトで、ベントナイトまたはベントナイトとも呼ばれます。地域によっては観音土とも呼ばれる。ベントナイトはモンモリロナイトを主成分とする粘土鉱物です。灰白色、黄緑色、黄白色など、さまざまな色の葉脈を形成します。採掘が簡単でコストも低いです。それは世界中に広く分布しており、私の国には非常に豊富な埋蔵量があります。この鉱物は、接着性、膨張性、吸着性、可塑性、分散性、潤滑性、陽イオン交換性が非常に優れています。カルシウム系とナトリウム系の2種類に分かれます。化学名は層状アルミノケイ酸塩です。塩系、リチウム系の化学物質と交換後、非常に強い懸濁性を有します。酸性化処理後は脱色性が良好で、化学的性質も非常に安定しています。粘土は、接着剤、吸着剤、可塑剤、触媒、消毒剤、増粘剤、スケール除去剤、洗剤、充填剤、増強剤、清澄剤など、何百もの化学製品の製造に使用できます。その用途範囲が極めて広いため、「万能粘土」という評判を得ています。

ベントナイトは溶解性が非常に良く、多量の水を吸収して体積が10～30倍に膨張し、優れた懸濁性と低摩擦性を備えた滑りやすいゲル状液体を形成するため、掘削業界では当然好まれ、掘削流体を調製するための最も理想的な原料となります。そのため、機械掘削が普及して以来、高品質のベントナイトは常に浅い掘削から深い掘削までさまざまな掘削プロジェクトに使用され、記録を絶えず更新してきました。

極めて困難な深層掘削では、掘削流体の品質に非常に厳しい要件が課せられるため、掘削流体を準備するための専任の科学研究チームが必要になります。チームは、遭遇する可能性のある地層の岩相の予測変化に基づいて、泥水の最適なパラメータを慎重に設計し、主材料であるベントナイトにさまざまな化学補助剤を添加し、掘削流体の総合的な性能をいつでも調整して、安全で迅速な掘削を保証します。よく知られている例があります。鉄人王錦曦が噴出の兆候を発見した決定的な瞬間、彼は泥沼に飛び込み、体を使って泥沼をかき混ぜ、セメントを加え、掘削液の密度を高め、荒れ狂う石油とガスの流れを抑制した。広く流布しているこの英雄的な偉業は、掘削工事において掘削流体が果たす重要な役割を示すのに十分です。

石油産業はベントナイトの主要消費者です。石油・ガス資源の探査・開発のための垂直掘削には大量の泥水が必要であるだけでなく、石油・ガスを輸送するためのパイプラインの建設や、河川、鉄道、道路を横断する水平掘削にも循環する泥水が保証として必要となります。掘削方法に関係なく、使用される泥の量は、坑井の直径と貫入の深さまたは長さに比例します。一般的に、使用される泥の量は、少なくとも坑井容積の 2 倍になります。地層漏洩、ガス侵入失敗、超高圧の油ガス層への掘削など特殊な場合には、その額は数倍に増加します。

現在、我が国のベントナイトの年間生産量は約700万トンで、世界第1位です。高品質の鉱脈は主に四川省、内モンゴル自治区、中国北東部に集中しています。大まかな統計によれば、我が国の石油産業のベントナイト需要は年間100万トンにも達します。我が国の掘削深度が1万メートルの大台を突破したことを私たちは祝っていますが、万能のベントナイトもその一翼を担っています。

著者: ゴン・ケ